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KR102170262B1 - 초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법 - Google Patents

초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법 Download PDF

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KR102170262B1
KR102170262B1 KR1020130159832A KR20130159832A KR102170262B1 KR 102170262 B1 KR102170262 B1 KR 102170262B1 KR 1020130159832 A KR1020130159832 A KR 1020130159832A KR 20130159832 A KR20130159832 A KR 20130159832A KR 102170262 B1 KR102170262 B1 KR 102170262B1
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Abstract

초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법에 관한 것으로, 초음파 프로브는 정합층, 상기 정합층의 하면에 마련되어, 초음파를 발생시키는 압전층 및 상기 압전층 하면에 마련되고, 판상형의 탄소 동소체와 상기 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질로 구성되는 흡음층을 포함할 수 있다.

Description

초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법{ULTRASONIC DIAGNOSTIC INSTRUMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
흡음층의 흡음성능을 유지시키고, 압전층의 에너지 변환 및 기타 이유로 발생하는 열을 효과적으로 방열시키기 위한 초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법에 관한 것이다.
초음파 프로브는 피검사체의 체표로부터 체내의 소망 부위를 향하여 초음파 신호를 조사하고, 반사된 초음파 신호(초음파 에코신호)의 정보를 이용하여 연부조직의 단층이나 혈류에 관한 이미지를 무침습으로 얻는 장치이다. 이러한 초음파 프로브는 X선 프로브, X선 CT스캐너(Computerized Tomography Scanner), MRI(Magnetic Resonance Image), 핵의학 프로브 등의 다른 영상프로브와 비교할 때, 소형이고 저렴하며, 실시간으로 표시 가능하고, X선 등의 피폭이 없어 안전성이 높은 장점을 갖고 있기 때문에, 심장, 복부, 비뇨기 및 산부인과 진단을 위해 널리 이용되고 있다.
초음파 프로브는 피검사체의 초음파 영상을 얻기 위해 초음파 신호를 피검사체로 송신하고, 피검사체로부터 반사되어 온 초음파 에코신호를 수신하기 위한 초음파 프로브를 포함한다.
초음파 프로브는 트랜스듀서를 포함한다. 여기서, 트랜스듀서는 압전 물질이 진동하면서 전기신호와 음향신호를 상호 변환시키는 압전층과, 압전층에서 발생된 초음파가 피검사체에 최대한 전달될 수 있도록 압전층과 피검사체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시키는 정합층과, 압전층의 전방으로 진행하는 초음파를 특정 지점에 집속시키는 렌즈층과, 초음파가 압전층의 후방으로 진행되는 것을 차단시켜 영상 왜곡을 방지하는 흡음층을 포함할 수 있다.
최근 초음파 프로브 내 압전층의 소형화 및 고성능화로 인한 발열이 발생하여 발생한 열을 초음파 프로브 전방으로 전달되지 못하도록 후방으로 전달하도록 하거나, 냉각하는 것에 대한 연구가 이루어 지고 있다.
판상형의 탄소 동소체와 탄소 동소체 사이에 음향 물질을 마련하여 형성된 흡음층을 포함하는 초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법을 제공한다.
초음파 프로브의 일 실시예는 정합층, 상기 정합층의 하면에 마련되어, 초음파를 발생시키는 압전층 및 상기 압전층 하면에 마련되고, 판상형의 탄소 동소체와 상기 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질로 구성되는 흡음층를 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따라 판상형의 탄소 동소체의 지지프레임은 압전층에 수직 방향으로 형성될 수도 있고, 지지프레임의 위치는 인접한 층의 지지프레임과 상이한 위치에 형성될 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따라 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질은 각 층마다 동일한 음향임피던스를 가지도록 마련될 수도 있고, 음향 임피던스가 흡음층의 상면부터 흡음층의 하면까지 감소하도록 흡음 물질이 마련될 수도 있으며, 음향 임피던스가 흡음층의 상면부터 흡음층의 하면까지 증가하도록 흡음 물질이 마련될 수도 있다.
또한, 일 실시예에 따라 탄소 동소체로는 탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite) 등이 이용될 수도 있고, 탄소 동소체 뿐만 아니라 탄소 동소체와 금속의 합성물도 이용될 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 초음파 프로브의 제조방법은 정합층을 마련하는 단계, 상기 정합층의 하면에 초음파를 발생시키는 압전층을 마련하는 단계, 판상형의 탄소 동소체와 상기 탄소 동소체 사이에 흡음 물질을 마련하여 흡음층을 형성하는 단계 및 상기 압전층의 하면에 상기 형성한 흡음층을 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
초음파 프로브 및 초음파 프로브의 제조방법에 의하면, 흡음층의 감쇠능력을 유지하면서 압전층에서 발생되는 열을 후방으로 전달하여 방열하는 열 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
`도 1은 일 실시예에 따른 초음파 프로브 내의 음향모듈의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체, 흠음 물질로 구성된 흡음층과 압전층의 단면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체의 전면을 나타낸 단면도이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체의 측면을 나타낸 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따라 압전층에서 발열된 열을 판상형의 탄소 동소체가 방열하는 것에 대한 개념도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 판상형의 탄소 동소체와 흡음 물질로 구성된 흡음층이 압전층에서 발열한 열을 후방으로 대칭되게 전달하는 것에 대한 개념도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 각 층에 마련되는 흠음 물질들의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 7a는 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체를 포함하는 흡음층의 시간에 따라 흡음층으로 진행된 초음파가 감쇠되는 것을 나타낸 그래프이다.
도 7b는 일 실시예에 따른 원통형의 탄소 동소체를 포함하는 흡음층의 시간에 따라 흡음층으로 진행된 초음파가 감쇠되는 것을 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 따른 압전층이 2차원 메트릭스(Matrix) 형태로 배열되는 것에 대한 사시도이다.
도 9는 일 실시예에 따라 판상형의 탄소 동소체를 포함하는 초음파 프로브를 제조하는 방법의 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 통하여 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 다만, 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
이하에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 이하에서 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
아울러, 이하에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한, 통상의 기술자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 초음파 프로브(1)의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 초음파 프로브(1)의 단면을 도시하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 초음파 프로브(1)는 압전층(3), 압전층(3)의 하면에 마련되는 흡음층(10) 및 압전층(3)의 상면에 마련되는 정합층(2)으로 구성되는 음향 모듈(20), 음향 모듈(20)의 상면 및 측면 일부를 덮는 보호층(5) 및 보호층(5)의 상면 및 측면을 덮는 렌즈층(6)을 포함할 수 있다.
음향모듈(20)은 초음파 트랜스듀서로도 불릴 수도 있다. 초음파 트랜스듀서로는 자성체의 자왜효과를 이용하는 자왜 초음파 트랜스듀서(Magnetostrictive Ultrasound Transducer)가 사용될 수도 있고, 미세 가공된 수백 또는 수천 개의 박막의 진동을 이용하여 초음파를 송신 및 수신하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)가 사용될 수도 있으며, 압전 물질의 압전 효과를 이용한 압전 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Ultrasonic Transducer)가 사용될 수도 있다. 이하에서는 압전 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Ultrasonic Transducer)를 트랜스듀서의 일실시예로 하여 설명하도록 한다.
소정의 물질에 기계적인 압력이 가해지면 전압이 발생하고, 전압이 인가되면 기계적인 변형이 일어나는 효과를 압전 효과 및 역압전 효과라 하고, 이런 효과를 가지는 물질을 압전 물질이라고 할 수 있다. 즉, 압전 물질은 전기 에너지를 기계적인 진동 에너지로, 기계적인 진동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 물질일 수 있다.
초음파 프로브(1) 전기적 신호가 인가되면 이를 기계적인 진동으로 변환하여 초음파를 발생시키는 압전 물질로 이루어진 압전층(3)을 포함할 수 있다.
압전층(3)을 구성하는 압전 물질은 지르콘산티탄산연(PZT)의 세라믹, 마그네슘니오브산연 및 티탄산연의 고용체로 만들어지는 PMN-PT 단결정 또는 아연니오브산연 및 티탄산연의 고용체로 만들어지는 PZNT 단결정을 포함할 수 있다. 이외에도 전기적 신호를 기계적인 진동으로 변환하기 위한 다양한 물질이 압전층(3)을 구성하는 압전 물질의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
또한, 압전층(3)은 단층 구조 또는 다층의 적층 구조로 배열할 수도 있다. 일반적으로 적층 구조의 압전층(3)은 임피던스와 전압을 조절하기가 보다 용이하여 좋은 감도, 에너지 변환 효율 및 부드러운 스펙트럼을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이외에도 압전층(3)의 성능을 위해 다양한 구조가 압전층(3)의 구조의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
흡음층(10)은 압전층(3)의 하면에 설치되어, 압전층(3)에서 발생하여 후방으로 진행하는 초음파를 흡수함으로써 초음파가 압전층(3)의 후방으로 진행되는 것을 차단할 수 있다. 이로 인해, 흡음층(10)은 영상이 왜곡되는 것을 방지할 수 있다. 흡음층(10)은 초음파의 감쇠 또는 차단 효과를 향상시키기 위해 복수의 층으로 제작될 수도 있고, 이외에도 초음파의 감쇠 또는 차단 효과를 향상시키기 위해 다양한 구조가 흡음층(10)의 구조의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
정합층(2)은 압전층(3)의 상면에 설치될 수 있다. 정합층(2)은 압전층(3)과 피진단체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시켜, 압전층(3)과 피진단체의 음향 임피던스를 정합시킴으로써 압전층(3)에서 발생된 초음파가 피진단체로 효율적으로 전달되도록 할 수 있다. 이를 위해, 정합층(2)은 압전층(3)의 음향 임피던스와 피진단체의 음향 임피던스의 중간값을 가지도록 마련될 수 있다.
정합층(2)은 유리 또는 수지 재질로 형성될 수 있다. 이외에도 압전층(3)과 피진단체의 음향 임피던스를 정합시키기 위해 다양한 물질이 정합층(2)을 구성하는 물질의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
또한, 정합층(2)은 음향 임피던스가 압전층(3)으로부터 피진단체를 향해 단계적으로 변화할 수 있도록 복수의 정합층(2)으로 구성될 수도 있고, 복수의 정합층(2)의 재질이 상이하게 구성될 수도 있다. 이외에도 음향 임피던스가 단계적으로 변화할 수 있도록 다양한 구조가 정합층(2)의 구조의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
또한, 압전층(3)과 정합층(2)은 다이싱(dicing) 공정에 의해 매트릭스 형태의 2차원 어레이 형태로 가공될 수 있고, 1차원 어레이 형태로 가공될 수도 있다.
보호층(5)은 정합층(2)의 상면 및 음향 모듈(20)의 측면 일부를 덮도록 설치될 수 있다. 보호층(5)은 내습성 및 내화학성을 가지는 필름의 표면에 전도성 물질을 코팅하거나 증착함으로써, 물과 소독 등에 사용되는 약품으로부터 내부 부품을 보호할 수 있는 케미컬 실드(chemical shield)를 포함할 수 있다. 케미컬 실드는 폴리머 필름(polymer film)이 정합층(2)의 상면 및 음향 모듈(20)의 측면 일부에 패럴린 코팅(parylene coating)을 수행하여 형성되게 할 수 있다. 또한, 케미컬 실드는 폴리머 필름에 단면 스퍼터(sputter)를 적용함으로써 형성할 수도 있다.
또한, 보호층(5)은 압전층(3)에서 발생할 수 있는 고주파 성분의 외부 유출을 방지하고 외부의 고주파 신호의 유입을 차단할 수 있는 알에프 실드(Radio Frequency Shield; RF Shield)를 포함할 수 있다. 이외에도 고주파 성분의 유출입을 차단하기 위한 다양한 구성이 보호층(5)이 포함하는 구성의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
렌즈층(6)은 보호층(5)의 상면 및 측면을 덮도록 설치될 수 있다. 렌즈층(6)은 압전층(3)에서 발생된 초음파 신호가 감쇠(減衰, attenuation)되는 것을 방지하기 위한 저감쇠 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 저점도성 에폭시 수지(DER322) 또는 DEH24와 같은 에폭시를 사용할 수 있다. 이외에도 초음파 신호가 감쇠되는 것을 방지하기 위한 다양한 물질이 렌즈층(6)의 물질의 일례로 사용될 수도 있을 것이다. 이와 같이, 렌즈층(6)을 저감쇠 물질을 이용하여 제작함으로써 초음파 신호의 감도를 향상시킬 수 있을 것이다.
또한, 렌즈층(6)은 음향 모듈(20)의 측면 일부인 음향 모듈(20)의 절단면(kerf)의 일부를 덮도록 설치됨으로써, 크로스토크(crosstalk)를 감소시킬 수도 있을 것이다.
이하, 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 흡음층(10)과 압전층(3)에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 판상형의 탄소 동소체(11), 흠음 물질로 구성된 흡음층(10) 및 압전층(3)의 단면을 도시하고 있다.
흡음층(10)은 압전층(3) 하면에 마련되어, 탄소 동소체(11)와 흠음 물질을 포함할 수 있다. 흡음층(10)은 압전층(3)에서 발생하거나 피진단부위로부터 반사되어 후방으로 진행하는 초음파를 흡수함으로써 초음파가 압전층(3)의 후방으로 진행되는 것을 차단할 수 있다. 이로 인해, 흡음층(10)은 영상이 왜곡되는 것을 방지할 수 있다.
탄소 동소체(11)는 흡음층(10) 상면에 마련된 압전층(3)에서 초음파 생성 또는 기타 이유로 발열되는 열을 흡수하여 발열된 열이 압전층(3) 전방으로 진행하지 못하게 할 수 있고, 발열된 열을 흡음층(10) 후방으로 전달하면서 방열시킬 수 있다.
탄소 동소체(11)의 소재는 높은 열 전도성을 가지는 탄소 동소체(11)로 구성될 수 있다. 동소체란 같은 종류의 원소로 구성되어 있지만 분자식이나 구조가 다른 물질 즉, 원자 번호는 같지만 중성자수가 다른 홑원소 물질로서 동소체는 같은 화학 조성을 가지지만 원자의 배열 상태나 결합 양식이 다른 물질들을 의미한다. 예를 들어, 탄소 동소체(11)에서 쓰이는 소재는 탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite) 등 일 수 있다.
구체적으로, 탄소 나노 튜브(CNT)는 1개의 탄소 원자가 3개의 다른 탄소 원자와 결합한 육각형 벌집 모양의 속이 비어있는 튜브형 구조로서 지름이 수나노미터(1nm=10억 분의 1m, 머리카락의 10만 분의 1의 굵기)의 탄소 원자로만 이루어진 소재이다. 탄소 나노 튜브(CNT)는 열전도율이 다이아몬드(구리의 5배)만큼 우수하고, 전기 전도는 구리에 비해 월등히 높으며, 강도는 같은 굵기의 강철보다 100배나 뛰어날 수 있다. 말려진 형태에 따라, 단중벽 나노 튜브, 다중벽 나노 튜브, 다발형 나노 튜브로 구분될 수 있다.
그래핀(Graphene)은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결된 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질로서 눈으로 볼 수 없을 만큼 얇고 투명하며, 화학적으로 안정성이 높은 탄소로 구성되어있어 전기 전도성이 뛰어날 수 있다. 구체적으로, 그래핀의 두께는 대략 0.2[nm]로 얇으면서 물리적 및 화학적 안정성도 높을 수 있고, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 또한, 그래핀의 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 열전도성이 높은 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높고, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않을 수 있다.
그래파이트(Graphite)는 금속광택을 가진 탄소 동위원소의 하나로서, 육방측상 결정구조를 가지며, 다공성이고 흡습성 및 흡착성이 있을 수 있다. 또한, 그래파이트는 화학적으로 안정하고, 내열성, 내열 충격성, 내식성이 좋으며, 전기, 열의 양도체로 윤활성이 있을 수 있다.
탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite) 등으로 구성된 탄소 동소체(11)의 열적 용량(K, Thermal Conductivity)은 대략 13.4[W/mK]일 수 있다. 이는 MP003의 열적 용량이 대략 0.74[W/mK]이고, MP004의 열적 용량이 대략 0.458[W/mK]인 것과 비교할 때, 상대적으로 높은 값일 수 있다. 따라서, 높은 열 전도성으로 인해 압전층(3)에서 발열한 열을 프로브의 후방으로 효과적으로 전달할 수 있다.
또한, 탄소 동소체(11)의 소재는 탄소 동소체뿐만 아니라 탄소 동소체와 금속의 합성물을 이용할 수도 있다. 탄소 동소체와 금속의 합성물은 각각을 용융하여 생성할 수도 있고, 각 층별로 탄소 동소체와 금속이 교번되게 적층되게 생성할 수도 있다.
이외에도 압전층(3)에서 발열한 열을 후방으로 전달하기 위한 다양한 소재가 탄소 동소체의 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
또한, 탄소 동소체(11)는 탄소 동소체의 메인프레임(13) 및 탄소 동소체의 지지프레임(14)으로 구성된 판상형의 형상을 가질 수 있다. 판상형의 형상은 압전층(3)에 평행하게 위치한 메인프레임(13)이 각 층별로 적층되고, 지지프레임(14)은 적층된 메인프레임(13)을 지지하도록 형성될 수 있다.
자세한 탄소 동소체(11)의 형상에 대해서는 후술하도록 한다.
흡음 물질(12)은 흠음층 내의 판상형의 탄소 동소체(11)가 위치하여 생긴 빈공간에 마련되는 것으로, 압전층(3)에서 발생하여 후방으로 진행하는 초음파 및 피진단 부위로부터 반사되어 수신되는 초음파가 후방으로 진행되지 못하게 감쇠할 수 있다. 또한, 압전층(3)에서 발생한 진동을 감쇠할 수도 있다.
흠음 물질이 후방으로 진행하는 초음파 및 진동 등을 감쇠시키는 것에 대한 변수는 음향 임피던스 내지 감쇠값일 수 있다. 음향 임피던스는 압전재료에서 인체의 음향에너지가 효율적으로 공급되기 위해 정합조건을 결정하는 변수 중 하나일 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112013116792318-pat00001

수학식 1은 음향 임피던스를 산출하는 식을 나타내고 있다, 수학식 1에서 Z는 음향 임피던스, ρ는 흠음 물질의 밀도, c는 흠음 물질의 탄성, υ는 음속을 나타낼 수 있다.
수학식 1에서 음향 임피던스는 흠음 물질의 밀도와 흠음 물질의 탄성의 곱을 거듭제곱근한 값일 수도 있고, 흠음 물질의 밀도와 음속을 곱한 값일 수도 있다.
또한, 음향 임피던스의 단위는 [
Figure 112013116792318-pat00002
]이며 Rayl이라고도 부를 수 있다.
흠음 물질로는 에폭시, 세라믹, 금속 등이 충진될 수도 있고, 에폭시, 세라믹, 금속 등의 파우더가 충진될 수도 있다. 또한, 에폭시, 세라믹, 금속의 파우더가 일정 비율로 합성되어 충진될 수도 있다. 이외에도 후방으로 진행되는 초음파 및 진동 등을 감쇠하기 위한 다양한 소재가 흠음 물질의 일례로 이용될 수 있을 것이다.
또한, 각 레이어 별로 동등한 음향 임피던스를 가지는 흡음 물질(12)들이 충진될 수도 있고, 상이한 음향 임피던스를 가지는 흡음 물질(12)들이 충진될 수도 있다. 각 레이어 별로 충진되는 흠음 물질들에 대해서는 후술하도록 한다.
이하, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 일 실시예에 따른 판상형의 탄소 동소체(11)에 대해서 설명하도록 한다.
도 3a는 판상형의 탄소 동소체(11)의 외관을 도시하고 있고, 도 3b는 판상형의 탄소 동소체(11)의 전면을 도시하고 있으며, 도 3c는 판상형의 탄소 동소체(11)의 측면을 도시하고 있다.
판상형의 탄소 동소체(11)는 압전층(3)에서 발열한 열을 흡열하여 후방으로 전달하고, 전달한 열을 방열하는 채널로 기능할 수 있다.
판상형의 탄소 동소체(11)는 메인프레임(13)과 지지프레임(14)을 포함할 수 있다.
메인프레임(13)은 흡음층(10)에 평행하도록 레이어 별로 적층되어 일 측면이 레이어별로 교번하여 인접한 레이어를 연결하는 형상을 가질 수 있다. 또한, 메인프레임(13)의 두께는 압전층(3)에서 발생시키는 초음파 파장의 1/4배 이상 일 수 있다.
지지프레임(14) 메인프레임(13)들 사이에 위치하여 메인프레임(13)의 형상을 유지하도록 지지할 수 있다. 지지프레임(14)은 초음파 프로브(1)의 용도 및 기타 이유에 따라 일정한 각도로 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3c와 같이 지지프레임(14)은 압전층(3)에 수직한 방향으로 위치할 수도 있다.
또한, 지지프레임(14)이 압전층(3)에 수직한 방향으로 위치할 경우, 탄소 동소체(11)에 전달되는 진동을 분산시키기 위해서 지지프레임(14)은 인접한 층의 지지프레임(14)의 위치와 상이한 위치에 형성될 수 있다. 또한, 인접한 상측 및 하측의 지지프레임(14)의 위치도 상이한 위치에 형성될 수 있다.
판상형의 탄소 동소체(11)는 백그라인딩(Back Grinding) 방식을 이용하여 형성할 수도 있고, 다이싱(Dicing) 방식을 이용하여 형성할 수도 있으며, 식각(Etching) 방식을 이용하여 형성할 수도 있다.
구체적으로, 백그라인딩(Back Grinding) 공정은 웨이퍼(Wafer) 뒷면의 불필요한 막을 제거하고 필요이상으로 두꺼운 뒷면을 깎아 내어 저항을 줄이고 열전도율을 향상시키는 공정이고, 다이싱(Dicing) 공정은 고속으로 회전하는 스핀들(Spingdle)에 다이아몬드 블레이드(Diamind Blade)를 이용하여 절삭하는 공정이며, 식각(Etching) 공정은 포토 레지스트에 피복되어 있지 않은 산화막을 제거하는 공정을 의미한다.
이외에도 다양한 방법이 탄소 동소체(11)를 판상형의 형태로 형성시키는 일례로 이용될 수도 있을 것이다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 일 실시예에 따라 압전층(3)에서 발열된 열이 흡음층(10)이 초음파 프로브(1) 후방으로 전달해 방열하는 것에 대해서 설명하도록 한다.
도 4는 압전층(3)에서 발열된 열을 판상형의 탄소 동소체(11)가 방열하는 것에 대한 개념을 도시하고 있고, 도 5는 판상형의 탄소 동소체(11)와 흡음 물질(12)로 구성된 흡음층(10)이 압전층(3)에서 발열한 열을 후방으로 대칭되게 전달하는 것에 대한 개념을 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 압전층(3)에서 발열한 열(31)이 흡음층(10)의 판상형의 탄소 동소체(11)로 전달될 수 있다. 판상형의 탄소 동소체의 메인프레임(13)은 압전층(3)에서 전달된 열(31)을 흡열하고, 메인프레임(13)을 따라 메인 열류(32)를 형성해 아랫면으로 하강할 수 있다. 또한, 판상형의 탄소 동소체의 지지프레임(14)은 메인 열류(32)에서 이탈된 열 흐름을 전달받을 수 있다. 판상형의 탄소 동소체의 지지프레임(14)이 전달받은 열 흐름은 서브 열류(33)를 형성해 아래방향의 메인 열류(32)에 합류할 수 있다.
메인 열류(32) 및 서브 열류(33)를 따라, 판상형의 탄소 동소체(11) 아랫면으로 하강하는 열은 하강하는 도중에 좌측면으로 방사되어 좌측 방열(34)을 할 수도 있고, 우측면으로 방사되어 우측 방열(35)을 할 수도 있다. 또한, 하강하는 열은 판상형의 탄소 동소체(11) 아랫면까지 전달되어 아랫면으로 방사되어 하측 방열(36)을 할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 좌측 압전층(3)에서 발생한 열이 시간의 흐름에 따라 메인프레임(13)과 지지프레임(14)을 포함하는 판상형의 탄소 동소체(11)를 따라 좌측으로 전달될 수 있다.
판상형의 탄소 동소체(11)와 흡음 물질(12)은 압전층(3) 내부에 상하 대칭되게 구비되었는바, 흡음층(10)이 흡열한 압전층(3)에서 발열한 열은 상하 대칭되게 좌측으로 진행할 수 있다. 또한, 시간에 따라 흡열한 열은 좌측, 상측 및 하측으로 방사되어 열이 방열되면서 흡음층(10) 내부의 열이 감소할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 일 실시예에 따라 각각의 음향 임피던스를 가지는 음향 물질이 탄소 동소체(11) 사이에 마련되는 것에 대해서 설명하도록 한다.
도 6은 각 층에 마련되는 흠음 물질들의 외관을 도시하고 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 흠음 물질은 고유의 음향 임피던스를 가지고 있다. 음향 임피던스는 후방으로 진행하는 초음파 및 진동 등을 감쇠시키는 것에 대한 변수일 수 있다.
흡음층(10)에서 판상형의 탄소 구조체를 제외한 빈 공간에 충진되는 흠음 물질은 초음파 프로브(1)의 성능 및 기타 변수에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, 음층에서 균일한 흡음성능을 가지기 위해서는 각 층별로 충진되는 흡음 물질(12)은 동일한 음향 임피던스를 가지게 충진될 수도 있다. 즉, 도6의 제1층(12a), 제2층(12b), 제3층(12c). 제4층(12d), 제5층(12e) 및 제6층(12f)에 충진되는 흡음 물질(12)의 음향 임피던스는 동일할 수 있다(Z_a=Z_b=Z_c=Z_d=Z_e=Z_f).
또한, 압전층(3) 후방으로 진행되는 초음파 및 진동의 세기가 강한 경우에는 각 층별로 충진되는 흡음 물질(12)은 흠음 물질의 음향 임피던스가 흡음층(10)의 상면부터 흡음층(10)의 하면까지 감소하도록 충진될 수도 있다.
구체적으로, 도6의 각층에 충진되는 흡음 물질(12)의 음향 임피던스를 각각 제1층(12a)의 음향 임피던스를 Z_a, 제2층(12b)의 음향 임피던스를 Z_b, 제3층(12c)의 음향 임피던스를 Z_c, 제4층(12d)의 음향 임피던스를 Z_d, 제5층(12e)의 음향 임피던스를 Z_e, 제6층(12f)의 음향 임피던스를 Z_f라고 하면, 제1층(12a)의 음향 임피던스(Z_a)는 제2층(12b)의 음향 임피던스(Z_b)보다 크고, 제2층(12b)의 음향 임피던스(Z_b)는 제3층(12c)의 음향 임피던스(Z_c)보다 크며, 제3층(12c)의 음향 임피던스(Z_c)는 제4층(12d)의 음향 임피던스(Z_d)보다 클 수 있다. 또한, 제4층(12d)의 음향 임피던스(Z_d)는 제5층(12e)의 음향 임피던스(Z_e)보다 크고, 제5층(12e)의 음향 임피던스(Z_e)는 제6층(12f)의 음향 임피던스(Z_f)보다 클 수 있다(Z_a>Z_b>Z_c>Z_d>Z_e>Z_f).
또한, 압전층(3) 후방으로 진행되는 초음파 및 진동의 세기가 약한 경우에는 각 층별로 충진되는 흡음 물질(12)은 흠음 물질의 음향 임피던스가 흡음층(10)의 상면부터 흡음층(10)의 하면까지 증가하도록 충진될 수도 있다.
구체적으로, 제1층(12a)의 음향 임피던스(Z_a)는 제2층(12b)의 음향 임피던스(Z_b)보다 작고, 제2층(12b)의 음향 임피던스(Z_b)는 제3층(12c)의 음향 임피던스(Z_c)보다 작으며, 제3층(12c)의 음향 임피던스(Z_c)는 제4층(12d)의 음향 임피던스(Z_d)보다 작을 수 있다. 또한, 제4층(12d)의 음향 임피던스(Z_d)는 제5층(12e)의 음향 임피던스(Z_e)보다 작고, 제5층(12e)의 음향 임피던스(Z_e)는 제6층(12f)의 음향 임피던스(Z_f)보다 작을 수 있다(Z_a<Z_b<Z_c<Z_d<Z_e<Z_f).
이외에도 흡음층(10) 내부의 각 층별로 충진되는 흡음 물질(12)의 음향 임피던스는 초음파 프로브(1)의 성능 등에 따라 흡음 성능을 향상시키지 위한 다양한 방법이 충진되는 흡음 물질(12)의 종류를 결정하는 일례가 될 수 있을 것이다.
이하, 도 7a 내지 도 7b를 참조하여 일 실시예에 따라 압전층(3) 후방으로 진행하는 초음파를 감쇠시키는 흡음층의 감쇠 능력에 대해서 설명하도록 한다.
도 7a는 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 흡음층의 시간에 따라 흡음층으로 진행된 초음파가 감쇠되는 것을 나타낸 그래프를 도시하고 있고, 도 7b는 일 실시예에 따른 원통형의 탄소 동소체를 포함하는 흡음층의 시간에 따라 흡음층으로 진행된 초음파가 감쇠되는 것을 나타낸 그래프를 도시하고 있다.
도 7a와 같이 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 흡음층의 감쇠 능력을 검토하면, 대략 5[us]에 압전층(3) 후방으로 진행하는 초음파가 흡음층에 유입되고 시간이 지남에 따라 Y축에 해당하는 진폭(41, [V])이 감소한다. 도 7a의 그래프를 log scale로 변환하면 감쇠 능력은 대략 46.78[dB]임을 알 수 있다.
그러나, 도 7b와 같이 원통형의 탄소 동소체를 포함하는 흡음층의 감쇠 능력을 검토하면, 대략 5[us]에 압전층(3) 후방으로 진행하는 초음파가 흡음층에 유입되고 시간이 지남에 따라 Y축에 해당하는 진폭(42, [V])이 감소하지만, 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 흡음층의 진폭(41)보다 감쇠률이 낮다. 도 7b의 그래프를 log scale로 변환하면 감쇠 능력은 대략 48.19[dB]임을 알 수 있다.
즉, 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 흡음층의 감쇠 능력은 대략 46.78[dB]이고, 원통형의 탄소 동소체를 포함하는 흡음층의 감쇠 능력은 대략 48.19[dB]인바, 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 흡음층의 감쇠 능력이 대략 2.8[dB]정도 높을 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 복수개의 압전층(3)이 배열되는 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
복수개의 압전층(3)은 어레이를 포함하는 흡음층 상면에 마련될 수 있다. 어레이에 연결되는 복수개의 압전층(3)은 피진단 부위, 초음파 프로브(1)의 목적 및 기타 이유에 따라 다양한 방법으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수개의 압전층(3)은 메트릭스(Matrix), 리니어(Linear), 컨백스(Convex) 및 컨케이브(Concave)의 형태로 배열될 수 있다.
도 8은 압전층(3)이 2차원 메트릭스(Matrix) 형태로 배열되는 것을 도시하고 있다.
예를 들어, 어레이를 통해 어레이의 가로축(51)으로 144개의 압전층(3)이 배열될 수 있고, 어레이의 세로축(52)으로 72개의 압전층(3)이 배열될 수 있다. 따라서, 압전층(3)이 144 X 72의 2차원 메트릭스 형태로 배열되어 총 10368개의 압전층(3)이 배열될 수 있다.
그러나, 위에서 언급한 144 X 72의 2차원 메트릭스 배열이 2차원 메트릭스 배열의 개수를 한정하는 것은 아니고, 피진단 부위, 초음파 프로브(1)의 목적 및 기타 이유에 따라 다양한 개수와 방법으로 배열될 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 일 실시예에 따라 판상형의 탄소 동소체(11)를 포함하는 초음파 프로브(1)를 제조하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 9는 판상형의 탄소 동소체를 포함하는 초음파 프로브(1)를 제조하는 시계열적인 순서를 도시하고 있다.
먼저, 정합층을 마련(S 10)하고, 정합층의 하면에 초음파를 송신 및 수신하는 압전층을 마련(S 20)할 수 있다.
그리고, 탄소 동소체를 백 그라인딩(Back Grinding), 다이싱(Dicing), 식각(Etching), 기타 방법을 이용하여 판상형의 형태로 가공해 구조물을 형성(S 30)하고, 흠음층 내부에 판상형의 구조물을 제외한 빈공간에 흠음 물질을 마련하여 흡음층을 형성(S 40)할 수 있다.
마지막으로, 압전층의 하면에 흡음층을 마련(S 50)하여 초음파 프로브(1)를 제조할 수 있다.
상기의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 의료기기 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 상기에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 초음파 프로브
2 : 정합층
3 : 압전층
10 : 흡음층
11 : 탄소 동소체
12 : 흡음 물질
13 : 탄소 동소체의 메인프레임
14 : 탄소 동소체의 지지프레임

Claims (18)

  1. 정합층;
    상기 정합층의 하면에 마련되어, 초음파를 발생시키는 압전층; 및
    상기 압전층 하면에 마련되고, 판상형의 탄소 동소체와 상기 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질로 구성되는 흡음층;
    을 포함하고,
    상기 판상형의 탄소 동소체는 메인프레임과 지지프레임을 포함하고,
    상기 지지프레임은 상기 압전층에 수직 방향으로 형성되고, 인접한 층의 지지프레임과 상이한 위치에 형성되고,
    상기 메인프레임은 상기 지지프레임에 평행한 수직프레임과 상기 지지프레임에 수직하고 상기 수직프레임을 지지하기 위해 상기 수직프레임 사이에 배치된 수평프레임을 포함하고,
    상기 수평프레임은 지그재그 형태로 상기 수직프레임 각각의 말단에 교대로 배치되어 상기 수직프레임 각각의 다른 말단이 개방되도록 형성된 초음파 프로브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질은 각 층마다 동일한 음향 임피던스를 가지는 초음파 프로브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질의 음향 임피던스가 상기 흡음층의 상면부터 상기 흡음층의 하면까지 감소하도록 흡음 물질들이 마련되는 초음파 프로브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 동소체 사이에 마련되는 흡음 물질의 음향 임피던스가 상기 흡음층의 상면부터 상기 흡음층의 하면까지 증가하도록 흠음 물질들이 마련되는 초음파 프로브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 판상형의 탄소 동소체는 탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite) 중 하나인 초음파 프로브.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판상형의 탄소 동소체는 상기 탄소 동소체와 금속의 합성물인 초음파 프로브.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은 복수개의 압전층이 메트릭스(Matrix), 리니어(Linear), 컨백스(Convex) 및 컨케이브(Concave) 중 하나로 배열된 초음파 프로브.
  10. 정합층을 마련하는 단계;
    상기 정합층의 하면에 초음파를 발생시키는 압전층을 마련하는 단계;
    판상형의 탄소 동소체와 상기 탄소 동소체 사이에 흡음 물질을 마련하여 흡음층을 형성하는 단계; 및
    상기 압전층의 하면에 상기 형성한 흡음층을 마련하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 판상형의 탄소 동소체는 메인프레임과 지지프레임을 포함하고,
    상기 지지프레임은 상기 압전층에 수직 방향으로 형성되고, 인접한 층의 지지프레임과 상이한 위치에 형성되고,
    상기 메인프레임은 상기 지지프레임에 평행한 수직프레임과 상기 지지프레임에 수직하고 상기 수직프레임을 지지하기 위해 상기 수직프레임 사이에 배치된 수평프레임을 포함하고,
    상기 수평프레임은 지그재그 형태로 상기 수직프레임 각각의 말단에 교대로 배치되어 상기 수직프레임 각각의 다른 말단이 개방되도록 형성된 초음파 프로브의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 흡음층을 형성하는 단계에서 상기 흡음 물질은 각 층마다 동일한 음향 임피던스를 가지도록 하는 초음파 프로브의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 흡음층을 형성하는 단계에서 상기 마련되는 흡음 물질의 음향임피던스가 상기 흡음층의 상면부터 상기 흡음층의 하면까지 감소하도록 흡음 물질들을 마련하는 초음파 프로브의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 흡음층을 형성하는 단계에서 상기 마련되는 흡음 물질의 음향임피던스는 상기 흡음층의 상면부터 상기 흡음층의 하면까지 증가하도록 흡음 물질들을 마련하는 초음파 프로브의 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 형성되는 탄소 동소체는 탄소 나노 튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 그래파이트(Graphite) 중 하나를 이용하는 초음파 프로브의 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 형성되는 탄소 동소체는 상기 탄소 동소체와 금속의 합성물을 이용하는 초음파 프로브의 제조방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 압전층을 마련하는 단계는 복수개의 압전층을 메트릭스(Matrix), 리니어(Linear), 컨백스(Convex) 및 컨케이브(Concave) 중 하나의 배열로 마련하는 초음파 프로브의 제조방법.
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